电磁学的发展

电磁学的发展

电磁学是物理学中最重要也是最古老的分支之一。从远古到18世纪中、晚期是电、磁现象的早期研究阶段，以对电、磁现象的观察、实验及定性研究为主；从18世纪晚期到19世纪上半叶，库仑首次开始了对电磁现象的定量研究，并逐步建立起电磁学理论体系；1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，打开了寻找电与磁内在联系的大门。1831年，英国物理学法拉第形象化地引入了“力线”概念，并又经过10年的努力，终于发现了电磁感应现象，这是电磁学发展史上的一座重要的里程碑。1856年，麦克斯韦把法拉第的力线首次进行数学化的尝试；1862年，麦克斯韦把“涡旋电场”和“位移电流”的概念引入电磁学，这是他的杰出之作；1865年，麦克斯韦完成了《电磁场的动力学理论》的论文，这篇论文系统地总结了从库仑、安培到法拉第以及他自己的研究成果，提出了著名的麦克斯韦方程，并预言了电磁波的存在；1888年，德国物理学家赫兹用实验的方法证实了麦克斯韦关于电磁场理论预言的所有方面，至此，电磁理论的雄伟大厦已经建成。

第一节电磁现象的早期研究

据记载，最早对电现象进行认真研究的是被誉为古希腊七贤之一的泰勒斯（Thales，BC624～BC546）。泰勒斯发现，丝绸摩擦过的琥珀可以吸引灰尘、绒毛、麦秆等轻小物体，这是人类历史上第一次记载的摩擦起电现象；后来，人们把这种神奇的力量称为“琥珀电”（electricity）。16世纪后半叶以后，实验风气逐渐兴起，人们发明了产生电荷和储存电荷的起电机、莱顿瓶，发现了电流，制成了最早的电源——电堆。17世纪和18世纪初期，许多学者对摩擦起电、电火花的形成和大气潮湿的影响等现象进行了一系列的定性观察。英国学者吉尔伯特（Gilbert William，1544～1603）发现能带电的不仅有琥珀，而且还有钻石、水晶以及其他许多矿物，到18世纪40年代以前，摩擦起电已被人们广泛应用。在磁学方面的研究，最早的记载是古罗马自然哲学家普林尼（Pliny，23—79），他曾讲了两个传说：其一是说牧羊人玛格内斯（Magnas）在克里特岛的艾达山上时，他的鞋被山石所吸，以致于很难行走；另一个是说有一座沿海的磁山，它可以使驶向它的船四分五裂，原因是钉在船上的钉子，在磁山吸引力作用下被拔掉了。据说磁石（magnet）这个词，是古罗马自然哲学家卢克莱修（Lucretins，BC99一BC55）从磁铁矿的产地、小亚西亚的地名Magnesia得来的。从远古开始，无论是中国还是西方都有对电、磁现象观察的记载，这不仅加深了人们对电现象和磁现象的认识，并且为进一步探索电磁现象的规律作好了物质准备。

1、从吉尔伯特到穆森布洛克

英国医生和物理学家吉尔伯特（Gilbert William，1544～1603），1600年成为英国女王伊丽莎白一世的御医，是一个具有很大成就和声誉的医生，他的业余爱好是进行关于电和磁的实验，他花了18年的时间进行电和磁方面的实验研究。1600年，他出版了巨著《论磁性、磁体和巨大地磁体》，这是英国诞生的第一部物理学著作，伽利略称它为“伟大到令人嫉妒”的著作。吉尔伯特在著作中指出，实验证明，诸如金刚石、蓝宝石、硫磺、树脂、明矾等物经过摩擦后也能吸引轻小物体，这是关于摩擦起电的明确结论。吉尔伯特还把一块天然磁石磨制成一个大磁石球，用小铁丝制成小磁针放在磁石上面，发现与地球对其作用相同，他通过这个著名的“小地球”实验，证明了地球是一个巨大的磁体，他提出一个普遍的原理：每一个小磁体的磁北极吸引每个别的磁体的磁南极，而排斥它们的磁北极。并指出，电力和磁力是两种不同性质的力。但吉尔伯特坚持认为：电和磁是两种截然无关的现象。这些对后期人们对电现象和磁现象关系的研究产生了一定的阻碍作用。

关于获得较多的电荷方面的研究最早是德国马德堡市的市长奥托·冯·盖利克（Guericke Otto von，1602－1686），他于1660年发明了第一台能产生大量电荷的摩擦起电机。他在一个小足球那样大的球状玻璃容器中，装满研磨成粉末的硫磺，然后用火加热到硫磺全部融化。等它冷却之后，再把玻璃容

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器打碎，在剩下的硫磺球上钻一个洞，将它支在一根轴上，使之可以自由转动，这样由于摩擦，在硫磺球表面将积累越来越多的电荷。这是人类第一台摩擦起电机。通过这台起电机，盖利克发现，在摩擦起电的过程中，起电机可以发出劈啪劈啪的响声，并在黑暗中看到闪光，还可以看到对带了电的亚麻丝的相互排斥作用。这就是小型的火花放电、导电性和排斥现象。盖利克的摩擦起电机后来不断地经过改进，直到19世纪才被感应起电机所代替。

1729年，英国物理学家格雷（Gray Stephen，1666－1736）首次对电荷传递进行了研究，他发现摩擦过的玻璃管上所带的电荷可以转移到木塞上，用一根带有骨质小球的棍子插到带电的木塞中，小球又会带上电。随后他用一根绳子竟使电传到大约24米远。格雷还在朋友的建议下，请一个小孩做了第一次人体带电实验。通过研究，他发现，不仅摩擦可以使物体带电，用传递的方法也可使其他物体带电。他把物体分成两类：一类是非电性物体，另一类是电性物体。这就是我们现在所说的导体和绝缘体。同时，他还发现了电荷只分布在导体的表面上，这一结论后来被法拉第“圆桶实验”进一步证实。

18世纪中叶，电学实验逐渐普及，电在导体中可由一处移到另一处这一事实，就很自然地使人按照机械力学的观点，把电视为某种不可称衡的流体。电既然是一种流体，可不可以像水那样用容器来蓄存呢？1745年，一个德国牧师冯·克莱斯脱（Georg von Kleist，1700～1748），试用一根钉子把电通往瓶子里去，当他一手握瓶，一手摸钉子时，受到明显的电震。1746年，荷兰莱顿城莱顿大学的教授彼得·冯·穆欣布罗克（Musschenbroek Pieter van，1692～1761），无意中发现同样的现象，用他自己的话说：“手臂和身体产生一种无法形容的恐怖感觉，总之，我认为自己的命没了。”这是人类有史以来第一次受到的人工大电击。就这样，穆欣布罗克公布了自己意外的发现：把带电的物体放进玻璃瓶里就可以把电保存起来。穆欣布罗克的发现，使电学史上第一个保存电荷的容器诞生了。它是一个玻璃瓶，瓶子内外分别贴有锡箔。瓶里的锡箔通过金属链跟金属棒连接，棒的上端是一个金属球，由于它是在莱顿城首先制成的，所以叫做莱顿瓶，这就是最初的电容器。

莱顿瓶很快在欧洲引起了强烈的反应，电学家们不仅利用它们做了大量的实验，而且做了大量的示范表演。有人用它来点燃酒精和火药。其中规模最壮观的是法国人诺莱特（Jean Antoine Nollet）在巴黎一座大教堂前所作的表演。诺莱特邀请了法国路易十五的皇室成员临场观看。他让七百名修道士手拉手排成一行，全长约275米。并让排头的修道士用手托住莱顿瓶，当莱顿瓶充电后，让排尾的修士用手触摸莱顿瓶的引线，瞬时间，七百名修道士因受电击而几乎同时跳了起来，在场的人无不为之目瞪口呆。诺莱特以令人信服的证据向人们展示了电的巨大威力。莱顿瓶的发明，使物理学家第一次有办法储存大量电荷，并对其性质进行研究。

二、两种电流质的提出与争论

18世纪，由于对电学的最初研究开阔了人们对电现象的认识，法国科学家杜菲（C．F．Dufay，1698—1739），为了解释摩擦起电及电的吸引和排斥现象，对电现象理论做出了最初的尝试。他认为：自然界存在有两种流质，可以通过摩擦的形式把它们分开，使两个物体带异种电荷而相互吸引，当它们结合时，又彼此中和。这个假设后来被称为杜菲的“双流说”。

美国物理学家富兰克林，他在对静电现象研究的基础上提出了关于“电液说”的假说，1747年7月11日，他在给伦敦皇家学会会员科林森（Peter Coullinson）的信中说道，“电火是一种普通的元素”，它在所有的物体中存在。如果一个物体得到比它正常分量更多的电液，它就被称之带上“阳电”；如果一个物体少于他正常分量的电液，它就被称为带上了“阴电”，并可分别用“＋”号或“－”号来表示“阳电”和“阴电”。在这里，富兰克林在杜菲的“玻璃电”和“树脂电”的基础上，第一次提出了正电和负电的概念，这就为定量研究电现象提供了一个基础，使人们第一次有可能用数学符号来表示带电现象，具有很重要的意义。他认为电是“一种普通的元素”，是一种没有重量称为“电液”的电流质，它渗透在整个空间和一切物质实体中，如果物体内部电液的密度同外部一样，物体呈“电中性”。他还指出，“电液”是由极其细微的粒子构成的，因为它很容易毫无阻碍地、自由地渗入到普通的物质（即便是最密的金属）中去。为了解释异性电相吸引现象，他认为“虽然电液粒子彼此排斥，但是它们却为一切其他物质所强烈地吸引。这样，富兰克林关于电的“单液说”取代了杜菲的“双流

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说”，成为当时比任何人更圆满地解释电现象的学说，并为大多数人所接受。例如，德国自然哲学家埃皮努斯（F ．U ．T ．Aepinus ，1724—1802）就主张电的“单液说”，并以超距作用观点来处理电液粒子之间的相互作用。法国物理学家库仑（Charles Augustin Coulomb ，1736—1806）却反对“单液说”，主张“双液说”，认为电液有两种而不是一种，同种电液粒子相互排斥，异种电液粒子相互吸引，而且这种作用是不需要通过中间媒质的一种超距作用。

无论是“单液说”还是“双液说”，它们的核心都是把电看作是一种粒子，这个观点和18世纪科学界对光的本性的看法是一致的，都属于机械的微粒说。关于电的本性的争论长期没有得出正确的答案，即便是对电磁学做出很大贡献的法拉第（Michael Faraday ，1791－1867）和麦克斯韦（James Clerk Maxwe11，1831—1879）也不例外，直到 1897年J ．J ．汤姆逊（Joseph John Thornon ，1856—1940）电子的发现才澄清了这一问题。

三、富兰克林的电学成就

本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin ，1706～1790）出生于美国一个贫穷的制烛工人家庭，他当过印刷工、作家、政治家、外交家和科学家，在18世纪的美洲这块新大陆上是不可多得的人才，他是殖民时期名扬欧洲的惟一美国人，在美国人看来，他是美国的立国之父。1743年，他创立了美国第一个科学学会——美国哲学学会，1751年，他又协助创办了宾夕法尼亚大学。但他的名声在他那个时代，却是作为一位自然哲学家而为人知晓的，他的最大成就却是在电学方面。

富兰克林对静电学的最重要贡献，是发现了电荷守恒定律。1746年，

英国物理学家、皇家学会的会员柯林森，通过邮寄向美国费城的富兰克林赠

送了一只莱顿瓶，并在信中向他介绍了使用方法，这样莱顿瓶带来的电学知识很快就传播到了北美。富兰克林利用莱顿瓶做了大量的静电方面的实验，他发现，两个带有不同性质电荷的带电体，相互接触后可以呈现中性。根据

这种相消性和数学上的正、负数的概念，他把“阳电”称为正电，把“阴电”

称为负电，并进一步从电荷的相消性，推出如下结论：⑴正电和负电，在本

质上不应有什么差别；⑵摩擦起电过程中，总是形成等量的异种电荷；⑶摩

擦起电过程中，一方失去的电荷与另一方得到的电荷在数量上相等。于是，

在上述推论的基础上，他总结出一个普遍的原理：电荷既不能创生也不能消

灭，只不过是从某一个带电体转移到另外一个带电体；在电荷转移过程中，电荷的总量是不变的。这就是电荷守恒定律的最原始的表述方式。富兰克林

主要通过和柯林森的通信方式介绍了他的实验结果，后来柯林森把他和富兰

克林的通信编成了一本书于1751年出版，这本书获得了巨大的成功，再版了多次，并被译成好几种文字。富兰克林的科学成就使得他于1756年当选为英国皇家学会的会员。

富兰克林在公众中的名声除发现电荷守恒定律外还有他的大气电实验，并以发现避雷针而达到了顶峰。当时人们关于火、燃烧、闪电、火花和放电等现象的认识还很不清楚。特别对雷电的危害性之大有一种惧怕的心理，除少数人认为雷电是“毒气爆炸”外，大多数人认为雷电是“上帝之火”，是天神发怒的结果。富兰克林为破除这股迷信，一直思考着雷电的电与摩擦电本质上是否一样，区别在什么地方。1749年11月 7日，他在笔记本中记下了如下的结论：“电流跟闪电在这些特性方面是一致的：（1）发光；（2）光的颜色；（3）弯曲的方向；（4）快速运动；（5）被金属传导；（6）在爆发时发出霹雳声或噪声；（7）在水中或冰里存在；（8）劈裂了它所通过的物体；（9）杀死动物；（10）溶化金属；（11）使易燃物着火；（12）含有硫磺气味”。于是，他提出以尖端导体作用可引下闪电来进行实验。1752年5月，法国人成功地完成了以铁杆引下闪电的实验。铁杆引下天电的成功启发了富兰克林，于是1752年7月，他进行了著名的费城风筝实验。

1752年7月的一天，天气闷热，乌云密布，电闪雷鸣，就在这大雷雨就要来临的时候，美国费城郊区上空升起了一只神奇的风筝，它是用丝绸做成的，顶部安装一根尖细的铁丝，风筝用麻绳系住，麻绳末端挂着一把钥匙，兴致勃勃地放风筝的那两个人就是富兰克林和他的儿子。他们放风筝不是为了玩，而是冒着遭受雷击丧生的危险，在进行吸取“天电”的实验，他把从云端“吸取”的电荷收集 图6-1为本杰明·富兰

克林

在莱顿瓶中，并进行实验。他发现：“由此得来的电火可以使酒精燃烧，并可用来进行别的有关电的实验；而这些实验平常是靠摩擦小球或小管来作的。”从而使雷电和摩擦起电统一了起来。富兰克林写了一篇《论闪电和电气的相同》的论文，阐述了雷电的本质。他明确指出：雷电现象不是“雷公雷母的发怒”，它是自然界一种大规模的放电现象，耀眼的火花就是电闪，震耳欲聋的声音就是打雷。电闪不但可以在天空中离得很近的带异种电荷的云块之间发生，也可以在云地之间发生。当云地之间发生闪电的时候，在极强的闪电经过的路上，树木、房屋、人畜等就被击毁或者烧焦。富兰克林还根据风筝上尖细铁丝能够吸引天电的发现，提出了制造避雷针的设想，使建筑物免遭雷击。富兰克林的避雷针能使云层安全放电，因而能保护建筑物本身。避雷针确实是灵验的，1752年仅费城一处采用避雷针就有四百多根，富兰克林以他电学上划时代的研究成果，成为蜚声世界的第一流科学家。

1769年，意大利的威尼斯一座教堂被雷击毁，引起地下室火药爆炸，导致3000多人丧生。1772年，英国成立了讨论仓库免遭雷击对策委员会，首先提出制造避雷针方案的富兰克林作为英国皇家学会会员也被任命为委员，在讨论中对避雷针的顶端形状发生了尖头、圆头之争。有人想当然地认为圆头避雷针好；但富兰克林坚持尖头的，他力排众议，言之有理，最后被采纳了。

1776年，美国独立战争爆发以后，富兰克林因为积极参加独立运动，又是独立宣言的起草人之一，被作为叛逆者的领导人，而受到英国人的憎恶，连他发明的避雷针也受到冷遇，横遭摒弃。英王乔治三世带头把宫殿和弹药仓库上的尖头避雷针砸掉，命令一律换为圆头避雷针，为了寻找扼杀富兰克林发明的“科学依据”，使尖头避雷针在英国绝迹，偏执而愚蠢的国王还亲自向皇家学会会长约翰·普林格尔（J．Brouncker），施加压力，要他公开宣布回头避雷针比尖头更安全。普林格尔惊讶万分，他不愧是一个正直有良心的科学家，拒绝执行国王的圣旨，义正词严地说：“陛下，许多事情都可以按您的愿望去办，但是，不能做违背自然规律的事啊！”美国独立战争期间，年老的富兰克林代表初创的美国出使法国，利用英法之间的矛盾争取法国的援助，事实证明，他是担任这项使命的理想人选。不仅是他那谨慎地表现出来的共和党人的直率出乎意料地吸引了凡尔赛宫廷的贵族，而且，由于人类进人了理性时代，有知识的法国人完全拜倒在这位曾经驯服了空中闪电，并将它引到地面的伟人脚下。富兰克林集科学与政治成就于一身，他把政治活动作为一种公民义务占据了他一生中的主导地位。他于1790年卒于费城，终年84岁，费城人民为他举行了空前的葬礼。法国经济学家杜尔哥（A-K-J Turgot，1727－1781）说：“他从天空中抓到雷电，从专制统治者手中夺回了政权。”

四、伽伐尼和伏打的神奇发现

19世纪的最后10年，意大利博洛尼亚大学职业解剖学家和生物学家伽伐尼（Galvani Luigi，1737～1798）取得了一项重大发现。电学家们发现放电的生理效应和电现象与生物现象之间的联系已有许多年，但这工作中的许多结果是不正确的，因此这一课题没有引起人们很多重视。但伽伐尼在1791年用拉丁文发表了题为《论肌肉运动中的电力》的文章立即引起了科学界的注目和认真研究。

伽伐尼在1791年发表的论文中描述到：“我用通常方法解剖好了一只蛙，因为有其他事情，我把它放在离一个电机不远的桌子上。当我的助手用解

剖刀接触蛙的股神经时，蛙腿的全部肌肉发生强烈

的收缩。在场的另一个人指出，他认为这是电机放

出火花引起的情况……。”伽伐尼对这一现象感到迷

惑不解，他立即“以惊人的敏捷动作着手研究所发

生的情况，以揭开隐藏在这种现象后面的奥秘”。他

用各种不同方式做实验，发现了大气电对蛙的作用，

并发现如果把金属箔贴在蛙的肌肉上，以蛙作为瓶

图6-2为伽伐尼关于生物电的研究

子，做成一种莱顿瓶。收缩就更厉害。他用金属弧

接触蛙的神经和腿，也得到明显的效应，如果金属

弧是由两种不同金属组成的，这种效应强烈得多。1791年，伽伐尼在题为《论电对肌肉运动中的影响》的小册子中，得出了如下的结论：动物本身内部存在着“动物电”，只有用一种以上的金属与之接触，这种“生物电”才会激发出来，就如莱顿瓶放电一样，从而引起了动物肌肉的运动。这种动物

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电与普通的摩擦是一样的电，只是起因不同而已。伽伐尼还据此制成了伽伐尼电池。伽伐尼所发现的“生物电”和激发“生物电”的方法，在当时欧洲学术界引起了巨大的反响，并为许多人接受，因为人们自然地联想到海洋中那些带电的鱼，如电鳗、电妖鱼等等，似乎别的动物体内也贮藏着这种生物电。然而这一发现，引起了他的好友伏打的注意。意大利物理学家亚历山德罗·伏打（Anastasio Count，1745－1827）在重复了伽伐尼的实验后，指出：伽伐尼实验的现象是对的，但解释是错的。

伏打于1745年出生于意大利科莫一个富有的天主教家庭里，他居住的科莫周围地区甚为繁华，与瑞士的交通也非常便捷，这个地区的富豪们都过着一种悠闲舒适的生活。伏打所受的教育主要是拉丁文、语言学和文学，他对科学的爱好似乎是自发产生的。伏打在青年时期就开始了电学实验，他读了他能够找到的许多书，对这工作深感兴趣。他的好友伽伐尼带给他一些仪器，并在家里让出了一间房子来支持他的研究。伏打十六岁时开始给一些著名电学家写信，其中有巴黎的诺莱和都灵的贝卡里亚。贝卡里亚是一位很有成就的国际知名的电学家，他劝告伏打少提出理论，多做实验。随着岁月的流逝，伏打对静电的了解至少可以和当时最好的电学家媲美。不久他开始应用他的理论制造各种有独创性的仪器。伏打制造的仪器的一个杰出例子是起电盘。一块导电板放在一个由摩擦起电的充电树脂“饼”上端，然后用一个绝缘柄与金属板接触，使它接地，再把它举起来，于是金属板就被充电到高电势，可以用来使莱顿瓶充电。这一发明是非常精巧的，以后发展成为一系列静电起电机。由于起电盘的发明，使他的名声开始扩展到意大利以外，苏黎世物理学会选举他为会员。他在三十二岁时被任命为帕多瓦大学物理学教授，他担任这个教授职务一直到退休，正是在那里，他做出了划时代的发现。

伏打认为，电的来源不是动物的肌肉，而是做实验的金属刀具。因为他发现，如果一根弯杆是由两种金属组成的，其一端在上方与眼睛接触，另一端放在嘴里，当它们接触的瞬间眼睛会有光亮的感觉。若舌头舔着一个金币和一个银币，一旦用一根导线把它们连接起来时，嘴里就产生了苦味。这样一来，电不仅能使肌肉颤动，而且还会影响视觉和味觉神经。

伏打认为，蛙腿的痉挛是由于铜钩和铁架这两种不同的金属接

触时产生的电流，蛙腿只是起了验电器的作用。随后伏打进行

了大量的实验，最后得出一个结论：将不同的金属排成一个序

列，其次序如下：锌、锡、铅、铜、银、金……这就是著名的

伏打序列。只要按这一序列将前面的金属与紧接着的下一种金

属搭配起来，接触在一起，那么前者就带正电，后者带负电。

伏打最后得到了一种思想，他把两种不同的导体依次连接起来

使每一个接触点上产生的电势差可以相加，他把这种装置称为

“电堆”。电堆能产生连续的电流，它的强度的数量级比从静电

图6-3为伏打在科学院演示伏打电堆

起电机能得到的电流大，在紧接着的几十年内，伏打电堆就像

雨后春笋一般蓬勃地发展起来，并使人们第一次有可能获得稳

定而持续的电流，因此开始了一场真正的科学革命。阿拉戈在1831年写的一篇文章中谈到了对它的一些赞美：“……这种由不同金属中间用一些液体隔开而构成的电堆，就它所产生的奇异效果而言，乃是人类发明的最神奇的仪器。”

伏打在完成电堆工作后就从舞台上消失了，他的工作方式可能太个人化了，对他的发现和利用完全落在年青的新生的力量身上。他的著作和教学中缺乏正规的数学，这可能限制了他表达自己思想的能力。伏打最后八年完全过着一种隐居的生活。1827年3月5日在他的坎纳戈别墅中去世，终年八十二岁。

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